(57)【要約】【課題】  ダブルスワール方式のプラズマトーチを用いたプラズマ切断において常に一定のべべル角を維持できるようにする。【解決手段】  切断ラインの製品外形に相当する場所では、ＮＣ制御部８３が切断速度を高速にするとともに、ガス制御部８５が２次ガス流量又は２次ガス旋回強度を高くする。切断ラインの製品内部の穴に相当する場所では、ＮＣ制御部８３が切断速度を低速にするとともに、ガス制御部８５が２次ガス流量又は旋回強度を比較的に低くする。切断速度は、切断遅れに起因する上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との間の位置ずれが所定の許容値以下になるように、切断ラインの場所に応じて決定される。２次ガス流量は、どの切断速度でもワークの製品側べベル角が０度になるように決定される。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダブルスワール方式のプラズマトーチを用いて切断ラインに沿ってワークを切断する方法において、
前記プラズマトーチを前記ワークの切断ラインに沿って切断速度で移動させるステップと、
前記切断速度が、前記切断ラインのうち製品外形に相当する場所では所定の高速値に、前記切断ラインのうち製品内部の穴に相当する場所では所定の低速値になるよう、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度を変化させるステップと、
前記切断速度が低くなるほど前記２次ガスの流量が小さくなるように、前記２次ガスの流量を変化させるステップと
を備えたプラズマ切断方法。
【請求項２】
前記２次ガス流量を変化させるステップでは、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度が変わってもベベル角をほぼ一定に制御するように前記２次ガスの流量を変化させる請求項１記載のプラズマ切断方法。
【請求項３】
前記切断速度を変化させるステップでは、前記切断ラインのどの場所においても切断遅れによる上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との間の位置ずれが所定の許容値より小さくなるように、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度を変化させる請求項１記載のプラズマ切断方法。
【請求項４】
ダブルスワール方式のプラズマトーチを用いてワークを切断ラインに沿って切断する装置において、
前記プラズマアークを前記ワークの切断ラインに沿って切断速度で移動させる移動系統と、
前記切断速度が、前記切断ラインのうち製品外形に相当する場所では所定の高速値に、前記切断ラインのうち製品内部の穴に相当する場所では所定の低速値になるよう、前記切断ラインの場所に応じて前記移動系統を制御する移動制御部と、
前記プラズマトーチに作動ガスと２次ガスを供給するガス供給系統と、
前記切断速度が低くなるほど前記２次ガスの流量が小さくなるよう前記２次ガスの流量を変化させるように、前記ガス供給系統を制御するガス制御部と
を備えたプラズマ切断装置。
【請求項５】
前記ガス制御部は、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度が変わってもベベル角をほぼ一定に制御するように前記２次ガスの流量を変化させる
請求項４記載のプラズマ切断装置。
【請求項６】
前記移動制御部は、前記切断ラインのどの場所においても切断遅れによる上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との間の位置ずれが所定の許容値より小さくなるように、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度を変化させる請求項４記載のプラズマ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアーク切断技術に関わり、特に切断面のベベル角の改善を目的とした２次ガスの使い方の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第２６８９３１０号にあるように、旋回するプラズマアークの周囲に同方向へ旋回する２次ガス旋回流を供給することにより、２次ガス旋回流の旋回強度により切断面のベベル角を調整することが可能である。ここで、べベル角とは、ワーク下面に垂直な面と切断面とのなす角度である。一般に、プラズマアーク切断では、図１（Ａ）に示すように、プラズマアーク１の緊縮により、ワーク３のカーフ（切断溝）５の断面形状は下へ向かうほど狭くなるテーパ形状であり（つまり、上カーフ幅が広く、下カーフ幅より狭い）。よって、両側の切断面７Ｌ，７Ｒはワーク下面９に対し垂直（ベベル角が０度）ではなく数度程度テーパする。切断速度が高くなるほど、このテーパの程度は大きくなる。ところが、プラズマアーク旋回流の周囲に同旋回方向の２次ガス旋回流を供給すると、図１（Ｂ）に示すように、プラズマアーク１がワーク３に到達すると、２次ガス旋回流の作用によってプラズマアーク１の中心軸１Ａが切断方向（図１では紙面を表から裏へ貫く方向）に向かって右又は左の方向へ屈折し傾く（右か左かは旋回方向で決まり、図１の例では上から見て右回りの旋回方向によってアーク１が右へ傾いている）。そのため、アーク軸１Ａが傾いた側の切断面７Ｒでは、ベベル角が０度の方向へ修正される。２次ガス旋回流の強度（つまり、２次ガス流量）を増やすほど、アーク軸１Ａの傾斜角度が大きくなるので、ベベル角を０度に修正することは勿論、０度を超えて更に反対側へ過修正することも可能である。よって、２次ガス旋回流の強度（２次ガス流量）を適当値に設定しておくことで、ベベル角を所望値（典型的には０度）に調整することができる。
【０００３】
この技術を本明細書では、「プラズマアークと２次ガスの２重の旋回流」という意味で「ダブルスワール方式」と呼ぶ。ダブルスワール方式により、高速に切断を行えるのでプラズマ切断装置の生産性が向上する。
【０００４】
一般にプラズマ切断装置は、プラズマトーチを保持し且つＸＹ方向に移動させる移動系統によって、プラズマトーチをワークに対し、切り出そうとする製品の形状に合せた切断ラインに沿って移動させつつ、切断を進めていく。このとき、切断ラインの直線や緩カーブの部分では高速に切断を行うが、コーナや急カーブのような部分や穴、特に小径の穴では、低速で切断を行う。その理由は、コーナや急カーブや穴などでは移動方向が急変するため、ＸＹ移動系統が高速に追従できず切断軌跡の精度が悪化するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１（Ａ）に示した切断面のテーパの程度は、高速切断時には大きく、低速切断時には小さい。そのため、ダブルスワール方式を採用したプラズマ切断において、切断ラインの直線や緩カーブを高速切断するときべベル角が丁度０度になるよう２次ガス旋回流の強度（２次ガス流量）を設定しておいたとすると、コーナや急カーブを低速で切断するときには、べベル角が過修正され０度にならないという問題が生じる。
【０００６】
また、図２に示すようにワーク３の切断最前面１１では上側より下側の方が切断が遅れるという現象がある（以下、切断最前面１１の上縁に対する下縁の切断が遅れた分の距離１３を「切断遅れ」という）。そのため、特にコーナや急カーブのように切断方向が大きく変わる箇所で、カーフ５の上側の軌跡（以下、上カーフ軌跡という）１５と下側の軌跡（以下、「下カーフ軌跡」という）１７との間に位置的なずれが生じる。例えば、図３は、切断ライン１９のコーナ１９Ａ付近でのワーク３の平面図を示しているが、上カーフ軌跡１５（実線で示す）はプラズマトーチの移動に忠実に対応して、シャープなエッジをもった正確なコーナ１９Ａを切り出すが、下カーフ軌跡１７(見易くするため破線で示す)は切断遅れによりコーナ１９Ａの内側を通りシャープなエッジを切ることができない。こうして、切断遅れによって上下のカーフ軌跡１５、１７間に位置的なずれが生じるため、べベル角が変化するだけでなく、切断軌跡（特に下カーフ軌跡１７）の精度が悪化する。
【０００７】
従って、本発明の目的は、ダブルスワール方式を採用したプラズマ切断において、切断ラインの形状がどのようであっても、常に一定のべべル角を維持できるようにし、もって、切断軌跡の精度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマ切断方法及び装置は、ダブルスワール方式のプラズマトーチを用いて切断ラインに沿ってワークを切断するとき、前記切断速度が、前記切断ラインのうち製品外形に相当する場所では所定の高速値に、前記切断ラインのうち製品内部の穴に相当する場所では所定の低速値になるよう、前記切断ラインの場所に応じて前記切断速度を変化させ、そして、切断速度が低くなるほど２次ガスの流量が小さくなるように、２次ガスの流量を変化させる。このような切断ラインの場所に応じた切断速度制御により、切断遅れに起因する上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との間の位置ずれを低減することができる。そして、このような切断速度の変化によってカーフのテーパの程度が変化しても、それを補償するように２次ガスの流量を調節してべベル角修正量を変化させることで、べベル角の変動を低減することができる。
【０００９】
望ましくは、切断ラインのどの場所においても切断遅れによる上下カーフ軌跡間の位置ずれが所定の許容値より小さくなるように、切断ラインの場所に応じて切断速度を調節するとともに、切断速度が変化してもワークの製品側べベル角を所定値でほぼ一定に維持するように、切断速度に応じて２次ガス流量又は旋回強度を制御する。
【００１０】
好適な実施形態では、上記の方法でべベル角を制御するので、べベル角制御のためにプラズマ−トーチをチルトさせることは行っておらず、ワーク切断中は常に、ワーク表面に対してプラズマトーチは垂直である。このことは、プラズマトーチをチルトさせる複雑な機構や制御が不要となり、プラズマ切断装置の低価格化に大いに貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図４は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の全体の外観を示す。
【００１２】
ワーク３たる鋼板が水平に載置されるステージ２１に対して、Ｙキャリッジ２３がＹ方向へ水平移動できるように設置されている。このＹキャリッジ２３からＸ方向へガイドレール２５が張り出し、このガイドレール２５上を水平にＸ方向へＸキャリッジ２７が移動できるようになっている。Ｘキャリッジ２７には、Ｚ（鉛直）方向へ移動するＺキャリッジ２９が取りつけられ、このＺキャリッジ２９に、プラズマトーチ３０が真下を向いて固定されている。プラズマトーチ３０は、ワーク３を切断している間、上記のキャリッジ２３，２５，２７からなるＸＹＺ移動系統によって、ワークに３に対し一定のスタンドオフ（ワーク上面からトーチ先端までの距離）を保った状態で、製品形状に合った切断ラインに沿ってＸ及びＹ方向へ水平移動させられる。
【００１３】
このプラスマ切断装置は、後に説明する切断速度と２次ガス流量の制御により、切断中、プラズマトーチ３０が真下を向いたままで、ワーク３の切断ラインがどのような形状であっても常にべベル角を所望値（典型的には０度）に一定に維持する。そのため、このプラズマ切断装置は、切断中にべベル角調整のためにトーチ３０をチルトさせる装置（この装置は極めて高価である）を備えておらず、その種のチルト装置をもった従来のプラズマ切断装置に比較すると、価格が大幅に低いというメリットをもつ。
【００１４】
このプラズマ切断装置のプラズマトーチ３０は、ダブルスワール方式を採用したものであれば原則として何でもよい。図５は、ダブルスワール方式を採用したプラズマトーチ３０の一例を示す。
【００１５】
トーチ３０は、その中心軸位置に円筒状の電極３１を有する。電極３１は、その内部に冷却水通路３３を有し、また、アーク発生点となる先端部には、ハフニウム製などの耐熱インサート３５を有する。電極３１の外周に、絶縁リング３７を介して、先端部へ向かってテーパした概略円筒型のノズル４１が被せられる。ノズル４１と電極３１との間の空間４３は作動ガス通路であり、この作動ガス通路４３の途中に絶縁リング３７が存在する。絶縁リング３７は、そこを通る作動ガスを旋回させるように周方向へ傾いて一定間隔で穿たれた複数の貫通穴（つまり、作動ガススワラ）３９を有する。作動ガススワラ３９から噴出する作動ガス旋回流は、耐熱インサート３５から出るアークのエネルギーでプラズマ化され、ノズル４１の先端部のノズルオリフィス４５を通じて、プラズマ旋回流となって先方へ噴出するようになっている。
【００１６】
ノズル４１の先端部の外側には、絶縁リング４９を介して、短円筒状のノズル保護キャップ５１が被せられている。この構成の更に外側には、先端部へ向かってテーパした円筒状の保持キャップ５７が被せられている。保持キャップ５７は、図示していないが、その基端部にてトーチ本体に固定され、それにより、その内側に存在するノズル４１や電極３５などの諸主部品を保持する。保持キャップ５７とノズル４１との間の空間５９は冷却水通路であり、この冷却水通路５９を通る冷却水は、ノズル４１とノズル保護キャップ５１と保持キャップ５７を同時に冷却する。
【００１７】
保持キャップ５７の内部には、トーチ中心軸を中心にした放射状に、一定間隔で、多数本の２次ガス通路６１と３次ガス通路６３が交互に形成されている。２次ガス通路６１は、保持キャップ５７とノズル保護キャップ５１との間の空間６７に連通する。ノズル保護キャップ５１は、その外側の保持キャップ５７と間の上記空間６７を、その内側のノズル４１との間の空間６９に連通させるものであって、そこを通る２次ガスを旋回させるように周方向へ傾いて一定間隔で穿たれた多数の貫通穴（つまり、２次ガススワラ）５３を有する。保持キャップ５７内の２次ガス通路６１から出てきた２次ガス流は、２次ガススワラ５３を通って旋回流となって、ノズル保護キャップ５１の先端部の２次ガス噴出口５５から、プラズマアーク旋回流の外周を包囲するようにして噴出するようになっている。２次ガス旋回流の旋回方向は、プラズマアーク旋回流の旋回方向と同一である。
【００１８】
また、保持キャップ５７の３次ガス通路６３の出口部６５は、周方向へ傾いていて３次ガススワラ６５を構成している。この三次ガススワラ６５から、３次ガスの旋回流が、２次ガス旋回流の外周を包囲するようにして噴出する。３次ガス旋回流の旋回方向も、２次ガス及びプラズマアークの旋回方向と同一である。
【００１９】
このようなダブルスワール方式のプラズマトーチ３０では、前述したように、２次ガス流量を調節して２次ガス旋回流の強度を調節することにより、プラズマアークの中心軸を屈折させてべベル角を調節することができる。
【００２０】
上述したプラズマ切断装置は、（図４には示してないが）更に図６に示すように、プラズマトーチ３０に作動ガス、２次ガス及び３次ガスを供給するガス供給系統７１、プラズマトーチ３０にアーク電流を供給する電源７５、並びに、ガス供給系統７１、電源７５及びＸＹＺ移動系統（図４に示したキャリッジ２３，２７，２９）７３を駆動し制御するコントローラ７７を備える。
【００２１】
図７は、このコントローラ７７の機能構成を示す。
【００２２】
コントローラ７７は、ガス供給系統７１がトーチ３０に供給する作動、２次及び３次ガスの流量を制御するガス制御部８１、ＸＹＺ移動系統７３がトーチ３０を移動させる方向と速度（切断速度）及びトーチ位置を数値制御するＮＣ制御部８３、並びに、電源７５がトーチ３０に供給するアーク電流値を制御する電流制御部８５を備える。
【００２３】
ＮＣ制御部８３は、ワークから切り出す製品の形状に適合した切断ラインを定義した切断ラインデータ９３を有する。また、ＮＣ制御部８３は、切断ラインの曲率と、その曲率に適した切断速度とを対応付けて格納した曲率−速度テーブル９５を有する。なお、ここでいう「曲率」とは、幾何学上の定義としての曲率（曲率半径の逆数）だけを意味するものではなく、切断ラインデータ９３から得られるデータであって曲率の大小を判断できるようなデータ、例えば、曲率半径、微視的に折れ線として描かれる切断ライン上の隣接する２直線の交差角度、或いは、切断ラインの個々の部分を直線、緩カーブ、コーナ、急カーブなどに分類した場合のその分類名、などであってもよい意味である。ＮＣ制御部８３は、切断を行っている間、切断ラインデータ９３に基づいて計算した切断ラインに沿ってトーチ３０を移動させつつ、曲率−速度テーブル９５から、切断ラインの現在切断中の部分の曲率に適した切断速度を取得して、その切断速度にトーチ３０の移動速度（つまり、実際の切断速度）を制御する。
【００２４】
ここで、曲率−速度テーブル９５には、曲率が大きい（カーブが急である）ほど切断速度が低くなるように曲率−速度関係が定義されている。各曲率に対応した切断速度は、その切断速度でその曲率のカーブを切断したとき、切断遅れによる上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との位置ずれが、実用上あまり問題にならない又は無視できる程度の許容値以下になるような速度であることが望ましい。最も簡単な曲率−速度テーブル９５の定義内容の一例を示すと、
（１）直線及び曲率が所定値未満の緩カーブ：切断速度は所定の高速値、
（２）コーナ及び曲率が所定値以上の急カーブ：切断速度は所定の低速値、
というようなものである。この曲率−速度テーブル９５を使うと、製品の外形ラインの直線や緩カーブでは高速に切断が行われ、外形ラインのコーナ部分や製品内部の穴のような急カーブでは低速で切断が行われ、その結果、切断ラインのどの部分でも、切断遅れによる上カーフ軌跡と下カーフ軌跡との位置ずれは、実質的にあまり問題にならないような所定の許容値以下に抑えられる。
【００２５】
ＮＣ制御部８３は、切断実行中に切断速度がどのタイミングでどのような値に変わるかを示した切断速度情報１０１を、ガス制御部８１と電流制御部８５に与える。ガス制御部８１は、ＮＣ制御部８３が用いる可能性のある複数の切断速度と、各切断速度において製品側のべベル角をほぼ所望値、例えば０度、に制御するための２次ガス流量とを対応付けて格納した速度−流量テーブル９１を有している。この速度−流量テーブル９１に格納されているべベル角を０度にするための２次ガス流量は、切断速度が低くなるほど小さくなる傾向をもつ。ガス制御部８１は、切断中、切断速度情報１０１と速度−流量テーブル９１とに基づいて２次ガス流量を制御する。すなわち、ガス制御部８１は、切断速度情報１０１が示す切断速度の各変更タイミングに先立って、変更後の切断速度に対応した２次ガス流量を速度−流量テーブル９１から取得して、各変更タイミングに同期して実際の２次ガス流量が取得した２次ガス流量に切り替わるようにガス供給系統７１のバルブ開度などを制御する。この２次ガス流量制御により、切断ラインの曲率に応じて切断速度が変わっても、べベル角は常にほぼ０度で実質的に一定に制御される。
【００２６】
電流制御部８５は、ＮＣ制御部８３が用いる可能性のある複数の切断速度と、各切断速度においてプラズマアークからワークへの入熱量を適正にするためのアーク電流値とを対応付けて格納した速度−電流テーブル９７を有している。この速度−電流テーブル９７に格納されているワーク入熱量を適正にするためのアーク電流値は、切断速度が低くなるほど小さくなる傾向をもつ。電流制御部８５は、切断中、切断速度情報１０１と速度−電流テーブル９７とに基づいてアーク電流を制御する。すなわち、電流制御部８５は、切断速度情報１０１が示す切断速度の各変更タイミングに先立って、変更後の切断速度に対応したアーク電流値を速度−電流テーブル９７から取得して、各変更タイミングに同期して実際のアーク電流値が取得したアーク電流値に切り替わるように電源７５の電流制御パラメータを制御する。このアーク電流制御により、切断ラインの曲率に応じて切断速度が変わっても、アーク電流は各切断速度に応じた適正値に制御されるので、電流過多の時に生じる切断面の上エッジが丸く融け落ちたり、コーナエッジが丸くなったりする現象は、この実施形態では発生しない。
【００２７】
なお、このように切断速度に応じてアーク電流が変わることも、ガス制御部８１のもつ速度−流量テーブル９１内の２次ガス流量値には織り込み済みである。すなわち、速度−流量テーブル９１に格納された各切断速度に対応した２次ガス流量値は、その切断速度とそれに対応したアーク電流値という条件下で、製品側のべベル角を所望値、例えば０度、にするための２次ガス流量値である。
【００２８】
図８は、板厚６mmの軟鋼を定格アーク電流が１２０Ａの酸素プラズマトーチを用いて、切断速度を変えて切断したときの製品側べベル角と切断遅れとを測定した結果を示す。なお、ここでいう「製品側べベル角」とは、図９に示すようにワーク３の製品側切断面７Ｒとワーク下面９からの垂直面１３１とのなす角度であり、図示のように切断面７Ａとワーク下面９とのなす角度が鋭角のときはべベル角はプラス値、切断面７Ｒが点線の側へ傾くとべベル角はマイナス値と定義している。
【００２９】
以下、図８を参照して、図７に示したコントローラ７７が行う切断速度と２次ガス流量の制御の具体例を説明する。
【００３０】
コントローラ７７は、図８に示すドロスフリー領域（切断面へのドロス付着量が実用上問題にならない程度に小さい切断速度範囲）内で、切断速度を制御する。例えば、最も簡単な制御例では、
（１）直線及び曲率が所定値未満の緩カーブ：切断速度はドロスフリー領域の最大速度３５００mm／min、
（２）コーナ及び曲率が所定値以上の急カーブ：切断速度はドロスフリー領域の最小速度１５００mm／min、
とする。図８に曲線１２１で示すように、ドロスフリー領域の最大速度３５００mm／minでは切断遅れが約４mmである。そこで、この４mmの切断遅れがあっても上下カーフ軌跡間の位置ずれが実用上問題にならないような曲率を閾値にして、この閾値より曲率の小さい緩やかなカーブや直線では、３５００mm／minの高速の切断速度を選択し、一方、その閾値より曲率の大きい急なカーブやコーナでは、１５００mm／minの低速の切断速度を選択する。１５００mm／minの低速の切断速度では、切断遅れは３５００mm／minの場合の約２分の１の約２mmになるため、かなり急なカーブやコーナでも、上下カーフ軌跡間の位置ずれを問題のない程度まで低減することができる。そして、３５００mm／minの高速の切断速度を選択した場合には、２次ガス流量は、曲線１１５で示す３０リットル／minに制御し、一方、１５００mm／minの低速の切断速度を選択した場合には、２次ガス流量は、曲線１１１で示す５リットル／minに制御する。これにより、製品側べベル角は切断速度に関わらず常に０度に維持される。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】プラズマ切断におけるカーフのテーパ形状（図１（Ａ））とダブルスワール方式によるべベル角修正の様子（図１（Ｂ））を示す断面図。
【図２】切断最前面の切断遅れを示す斜視図。
【図３】切断遅れによるコーナ付近での下カーフ軌跡の精度悪化の例を示すワークの平面図。
【図４】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の全体の外観を示す斜視図。
【図５】ダブルスワール方式を採用したプラズマトーチ３０の一例を示す断面図。
【図６】図４のプラズマ切断装置の構成を示すブロック図。
【図７】コントローラ６の機能構成を示すブロック図。
【図８】ある特定の切断条件下で、切断速度を変えてプラズマアーク切断を行ったときの製品側べベル角と切断遅れとを測定した結果を示す図。
【図９】製品側べベル角の説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１  プラズマアーク
３  ワーク
５  カーフ
７  切断面
１３  切断遅れ
１５  上カーフ軌跡
１７  下カーフ軌跡
３０  プラズマトーチ
７１  ガス供給系統
７３  ＸＹＺ移動系統
７５  電源
７７  コントローラ
８１  ガス制御部
８３  ＮＣ制御部
８５  電流制御部
９１  速度−流量テーブル
９３  切断ラインデータ
９５  曲率−速度テーブル
９７  速度−電流テーブル
【図１】
2005046913.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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